畢業設計（論文）題目污泥焚燒處置技術的研究院系專業班級學生姓名指導教師二一年六月摘要污泥是一種有毒有害的廢物，如不妥善處置，會形成嚴重的二次污染，不僅會污染環境，還會影響到人類健康。目前，我國對污泥一般采取填埋的處理方式而以燃燒的方式處理污泥的做法還不普及，并且在技術上也落后于發達國家。本文以城市生活污泥為研究對象，分析了污泥的基本特性，污泥的燃燒特性。根據污泥的特點，分析發現如果想通過焚燒污泥得到高品質的工質可以采用與煤粉混燃的技術。在此基礎上，研究了污泥摻混煤粉后的燃燒特性以及對煙氣中有害物質的排放的影響。分析現行可燃燒污泥的燃燒設備及特點，從中選用了循環流化床鍋爐焚燒污泥與煤粉的混合燃料的技術。根據污泥的特性，分析了污泥與煤粉在循環流化床鍋爐中焚燒對實際運行的影響。通過分析和計算獲得污泥摻混煤粉后在循環流化床鍋爐中燃燒特性，及燃燒效率等,并且討論焚燒污泥對大氣污染的影響。關鍵詞污泥，焚燒，設備，發電，污染ABSTRACTTHESLUDGEISAKINDOFVIRULENTANDHARMFULWASTEIFITISNOTHANDLEDPROPERLY,ITWILLMAKEASERIOUSSECONDARYPOLLUTIONITWILLNOTONLYPOLLUTETHEENVIRONMENT,BUTALSOHAVEABADEFFECTONHUMANHEALTHATPRESENT,DISPOSALOFSLUDGEBYBURNINGISNOTWIDESPREADINOURCOUNTRY,ANDTHETECHNOLOGYISLAGGINGBEHINDTHEDEVELOPEDCOUNTRIESTHISPAPERISARESEARCHABOUTUTILIZATIONOFDOMESTICSLUDGE,ANALYZESTHEBASICCHARACTERISTICSOFTHESLUDGEANDSLUDGESCOMBUSTIONBEHAVIOR，RESEARCHTHEAFFECTIONOFCOMBUSTIONWHILETHEPULVERIZEDCOALMIXWITHTHESLUDGE，ANALYSISTHEPRESENTEQUIPMENTWHICHCOULDBURNTHESLUDGEANDTHECHARACTERISTICSOFTHEEQUIPMENTAFTERTHEANALYSISANDCALCULATION,WECANGETTHEFEASIBILITYANDCOMBUSTIONEFFICIENCYOFUSINGTHEMIXTUREOFSLUDGEANDPULVERIZEDCOALTOGENERATEELECTRICITYWHENITCOMBUSTINCIRCULATINGFLUIDIZEDBEDBOILERANDRESEARCHTHEINFLUENCEOFBURNINGSLUDGEONTHEAIRPOLLUTIONKEYWORDSLUDGE,INCINERATION,EQUIPMENT,POWERGENERATION,POLLUTION目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論311本課題研究背景3111目前國內污泥的來源與危害3112目前國內對污泥的主要處理方式312國內外研究現狀4121常見幾種類型的污泥工業分析5122污泥的燃燒特性分析5123常見的污泥焚燒處理方法與焚燒設備8124污泥與煤粉摻混燃燒特性分析9125污泥焚燒處理對排放有害氣體的影響1113本課題研究目的及內容13第2章污泥燃燒特性1421污泥成分分析1422污泥燃燒分析14221實驗方法14222實驗結果及分析15第3章污泥焚燒技術的應用1831污泥焚燒處理的優勢18311對污泥的有效利用18312污泥焚燒設備及各設備優缺點1832污泥與煤粉混燃對燃燒的影響20321污泥與煤粉混燃的燃燒特性分析20322燃燒溫度沿爐膛高度的分布特性21323爐內床壓的變化特性2133污泥與煤粉混燃對煙氣排放的影響22331煙氣中不完全燃燒產物的排放22332溫度對N2O和NOX排放的影響24333水分對N2O和NOX排放的影響25334煤對N2O和NOX排放的影響25第4章污泥焚燒發電研究2641污泥燃燒設計26411選用污泥及煤粉的工業分析26412選用循環流化床鍋爐概況2642熱力計算27421燃料燃燒計算27422鍋爐機組熱平衡計算2843對循環流化床鍋爐摻燒污泥在運行中的問題的分析32431摻燒污泥存在問題32432分析相關的解決方法32第5章全文總結34參考文獻35致謝37第1章緒論11本課題研究背景111目前國內污泥的來源與危害隨著我國經濟的發展、城市化進程的加快以及污水處理率的提高，污泥的產量日益增加。按照我國的城市人口基數，既便只有1億人口的污水被處理，每天也將產生25000噸含固率20的污泥泥餅，這部分泥餅如果按照最高2米來堆放，每年需要600個國際標準足球場。對于城市來說，周邊土地資源已經難以滿足需要。因此污泥的合理處置遲早必須進行。在石油開采、運輸、煉制及含油污水處理過程中也會產生大量的含油固體廢物。這種石油化工污泥中一般含油率在1050，含水率在4090，我國石油化學行業中，平均每年產生80萬T罐底泥、池底泥1，勝利油田每年產生含油污泥在10萬噸以上，大港油田每年產生含油污泥約15萬噸，河南油田每年產生5104M3含油污泥2?？梢娔壳安徽撛诠I生產還是在生活廢物上都有著大量的有害污泥產生。由于污泥具有產生量大、不穩定、易腐敗、有惡臭、含寄生蟲卵、病原微生物及重金屬等有毒有害物質的特點，如不進行妥善、科學地處理處置，將對環境造成嚴重的二次污染。因此，如何合理處置污水污泥，解決城市污泥的出路己成為我國非常緊迫的任務。112目前國內對污泥的主要處理方式歐共體將污泥劃為“特殊垃圾”不是“危險垃圾”，必須具有資格的企業按照規定的程序進行妥善處理，不得棄置。而在國內對于相關的政策規定還沒有完善，以至于大量的廢棄含油污泥常常被非法取用，造成土地的重金屬積累超標、土地板結，人類居住環境和食物被無意中污染和破壞。今年從新回到人們視野中被廣泛關注的地溝油事件再次為人們敲響了警鐘。怎樣才能夠妥善、科學地處理產量巨大而且成分復雜的污泥，已經成為一項現在為國內所廣泛關注的課題。而目前我國污泥處理處置方法還有很多不足，各種處置方法所占比例如圖11所示。3圖中幾種污泥處理處置方法在我國所占的比例圖11幾種污泥處理處置方式在我國所占的比例如上餅狀圖所示可見，目前主要以農用、簡易填埋為主。而用于焚燒的污泥處置方式只有345。而污泥焚燒是一種常見的污泥處置方法，它可破壞全部有機質，殺死一切病原體，并最大限度地減少污泥體積。對于人口稠密的沿海或是大城市，污泥中有毒有害物質含量較高，上地填埋和農田利用都受到限制，或是因遠離處理場運輸費用較高，使用焚燒法進行處理是值得推廣的處理方法。且隨著經濟的發展，我國污泥的組成、產量和熱值等方面變的越來越適于焚燒處理。焚燒后產生的熱能可以用來發電例如平湖造紙污泥焚燒發電廠的日處理污泥為750T含水率為85,采用2臺蒸發量為130T/H的高溫、高壓流化床焚燒爐該系統采用已在電廠汽動給水泵做功后排出的過熱蒸汽對污泥進行干化預處理4可見焚燒處理方式是我國污泥處置方式的必然的發展重點。所以在本設計（論文）中將分析研究有關污泥焚燒技術工藝、原理、設備及運行。12國內外研究現狀現在國內外主要針對污泥的干化處理，污泥燃燒動力特性，燃燒方式，催化作用以及燃燒排放特性等問題進行了相關的研究。121常見幾種類型的污泥工業分析污泥不同于其它的固體廢物，而且由于污泥的來源不同，在其燃燒特性上又存在著很大的差別，在此簡單舉出幾種污泥的工業分析；56如表11表11我國幾種污泥的工業分析污泥工業分析污泥來源MADVADAADFCADNET/KJKG1A729427444585397846B512398851733268461C612438445054989810D6972267555114858246式樣來源A上海市石洞口污水處理廠；B黃石污水處理廠；C上海程橋污水處理廠；D上海吳淞污水處理廠；從工業分析數據可以看出雖然不同污泥來源地工業分析結果不同，但是與煤粉相比較污泥的工業分析結果具有鮮明的特點。首先是揮發份較高，相對于煤粉污泥更易點燃。其次是含水量大，含碳量小。針對污泥的總體特點對污泥的燃燒特性進行特性分析。122污泥的燃燒特性分析目前對于燃料熱解實驗采用較先進的TGAFTIR技術。（其結構圖如圖12所示）為污泥熱解與燃燒裝置的開發提供必要的數據。78圖12TGA/FTIR測量系統1DSC及TG樣品架,2樣品支撐架,3紅外防護屏,4電爐著火特性一般由TGDTG方法，它可以直觀的看到燃料在不同溫度下的燃燒狀況。9同時配合差溫曲線分析，如圖13反映了試樣在整個燃燒過程中熱量隨溫度的變化規律。10圖13實驗工業污泥的差熱曲線可以看出，在燃燒前期，差熱曲線上有明顯的放熱峰，此階段對應著揮發分的燃燒，放熱峰值對應溫度在320350之間，此時揮發分劇烈燃燒，峰值對應溫度和DTG曲線上最大失重速率對應溫度一致。在燃燒后期，固定碳的燃燒在差熱曲線上也表現明顯，放熱峰值對應溫度在470500之間。說明工業污泥著火溫度和燃盡溫度均較低，易于燃盡的特點。根據差熱曲線，利用微分方法可以求解污泥的反應動力學參數。氣體和固體之間的反應速率可以表示為（1）式中，污泥熱解過程中消耗的量；A頻率因子；E活化能；R氣體常數；T反應溫度；F與熱解機理相關的函數，它的大小取決于反應機理函數（2）其中N為反應級數。求解這個反應的動力學參數方法有很多，本文采用最常用的微分法。微分法是利用DTG曲線進行計算。由差熱分析的TG曲線可以求得（3）GT0為物質未反應時失重率，這里定義為MD（水分）；GT為物質在T溫度時的失重率，；這里表示為（GGT）/G，G是初始的試樣重量；GT,MAX物質反應結束時的失重率，這里表示為（GGT,MAX）/G。結合公式（1）和DTG的定義（用V表示），在恒定升溫速率下得（4）為升溫速率。聯立（1）（2）（4）得（5）兩邊取對數變形得（6）由式（6）以等式左邊（Y）對1/T（X）作TGDTG圖111210,20,40,80C/MIN時,不同升溫速率對含油污泥著火和燃盡的影響很大隨著升溫速率升高,含油污泥燃燒的著火溫度和燃盡溫度均有所提高,著火與燃盡時間也相應提前在整個燃燒過程中,雖然從著火到燃盡的溫差變化不大,但完成燃燒的時間明顯縮短13如圖14所示為城市污泥燃燒特性（材料取自徐州奎河污水處理廠未消化的污泥）14圖14不同升溫速率下污泥燃燒的TG和DTG曲線污泥燃燒特性與煤粉類似，其燃燒特性與污泥種類和污泥性質有很大關系。雖然不同來源的污泥性質不同，但一般揮發分較高,含碳量較低,整個燃燒過程可分為三個階段水分析出的階段揮發分析出燃燒階段焦碳燃燒的階段。15123常見的污泥焚燒處理方法與焚燒設備根據污泥所體現出來的主要特征目前國內外污泥處理技術主要發展干化污泥燃燒技術。即為污泥經“脫水干化焚燒化工和建材”的一體化處理專利技術ZL2006200494534污泥首先脫水,產生的濕污泥在爐前干燥器內被熱煙氣加熱干燥,生成的干化污泥送入循環流化床鍋爐內燃燒,燃燒生成的熱煙氣引入爐前干燥器內作為干燥介質,燃燒生成的灰渣作為建筑、化工原材料,鍋爐產生的蒸汽引入傳統的蒸汽發電系統發電、供熱。5燃燒設備主要采用的是垃圾焚燒爐，主要有爐排爐、旋轉窯爐、循環流化床爐以及融融焚燒爐。其中循環流化床爐具有燃燒效率高，能夠有效控制有害氣體的產生，加入石灰石可以有效的脫硫，熱能可用于工業供氣、供熱、發電等，無爐排等轉動部件，設備故障少，容易維修，投資費用低等優點而得到了廣泛的推廣應用。目前日本和美國及歐洲正在研究引進熔融焚燒爐技術，正處于從普通流化床焚燒爐向熔融爐轉型階段。16124污泥與煤粉摻混燃燒特性分析由于污泥與煤粉相比更易燃燒但是發熱量太低，如果單獨依靠污泥作為燃料很難滿足發電需求。17所以在生產應用中往往采取在煤粉中摻雜污泥的方式運行。由于污泥中含水量低，所以過多摻入污泥可能會導致給粉系統中出現堵塞現象。另外由于污泥的發熱量低，如果摻入量過多往往會影響到鍋爐的效率。如表12所示，反映出煤中摻入污泥后對原煤耗量的影響?？梢姰斎济褐袚饺肷倭课勰啾壤淮笥?,對燃料燃燒的穩定,鍋爐參數和受熱面工作的安全性不會產生不良影響。18對于流化床鍋爐由于流化床鍋爐更利于劣質燃料的燃燒所以摻混比例可以提高很多。19物質內部結構的變化對燃燒過程的發生、發展具有重要作用。從污泥焦粒徑分布可以看出污泥焦屬于多孔介質，使得空氣易于擴散到其中的氣孔中，有利于燃燒。2021除了與煤粉的摻混燃燒方式外，摻混水煤漿燃燒也是一種可行的燃燒方式。水煤漿與污泥具有不同的灰分、揮發分及固定碳,其燃燒性能與自身性質有很大關系,表現出不同的DTG曲線,混合漿的燃燒特性比較復雜,污泥與水煤漿各自性質對其有著很大的影響,燃燒特性總體表現為兩者共同作用的結果,DTG、TG曲線基本位于污泥及水煤漿單一燃燒的DTG、TG曲線之間從污泥和水煤漿混燒的整個過程看,混合漿的燃燒特性在某些方面優于污泥和水煤漿的單一燃燒,污泥摻入后S有所升高22。另外值得關注的是濕法燃燒方式。濕式燃燒亦稱濕式氧化,是將溶解和懸浮于水中的有機物或還原性的無機物,在高壓加熱下壓入空氣,使之氧化轉變成CO2、H2O,以及少量惰性固體殘渣,結果有機物的結構和成分發生改變,脫水性能大大改善。實驗證明,濕式燃燒法是處理高濃度有機廢水和污泥的重要方法。23表12煤中摻入污泥后對原煤耗量的影響在煤中摻入城市污泥后,混合試樣和煤相比其活化性能得到提高,著火溫度提前,但是綜合燃燒性能卻是下降的。在混合試樣的燃燒過程中,煤和污泥基本上保持了各自的揮發分析出特性,煤的燃燒表現得更為明顯。24氧氣濃度對實驗樣品燃燒特性有較大影響。隨著氧濃度的增加,燃燒曲線向低溫方向移動,混合試樣的著火提前,燃燒時間縮短,失重速率加快,達到最大失重速率溫度降低。25污泥因為具有很高的揮發份，所以易燃燒?？梢栽谖勰嘀屑尤虢饘倩衔锲鸬街己痛呋淖饔?。污泥添加不同金屬化合物K2CO3、NACL和AL2O3后，其著火點有一定的下降，對污泥的燃燒有促進作用；如圖15中的單一酸洗及添加不同金屬化合物污泥燃燒TG和DTG圖所示，不同金屬元素化合物的加入對污泥燃燒性能有一定的改善，并且在燃燒的不同階段金屬化合物表現出不同的催化能力。金屬化合物催化機理是金屬充當氧的載體，加快氧氣擴散速度，促進了氧的轉移。26圖15酸洗及添加金屬化合物對污泥燃燒的影響125污泥焚燒處理對排放有害氣體的影響由表21可以看出污泥與煤粉在含碳量和含水量上有著很大的區別，這也影響著污泥燃燒后煙氣排放的問題。利用簡單的鍋爐（其結構如圖16）模擬污泥的燃燒，收集排出的煙氣進行成分分析。結果如圖17所示圖16模擬用鍋爐結構圖圖17排煙分析結果各種污泥單獨燃燒時SO2、NOX釋放濃度較高,SO2釋放主要取決于揮發分燃燒階段,而NO的釋放則取決于揮發分燃燒、半焦燃燒兩個階段污泥燃燒時NO的釋放濃度與其O/N比例有關,并且其自身含有的CAO、MGO等堿金屬不僅可以固硫而且NO有積極的催化還原作用,使NO生成減少。2作為一種潔凈煤技術,利用污泥型煤技術處理污泥可以降低氣體污染物的排放,同時利用污泥作為粘結劑并利用其所含的熱能,有利于能源化、潔凈化處理污泥的目的。27氧的變遷轉化影響著NOX的排放特性，SOX的排放規律，CO2排放。運用XPS研究了煤經氧化后其含氧官能團的變化發現煙煤中含氧官能團在燃燒過程中呈現以下變化趨勢無機氧AL2O3/SIO2含量上升，羥基OH含量下降，羰基CO呈波動狀變化，羧基COOH含量先上升后下降。污泥中無機氧AL2O3/SIO2、羥基OH、羰基CO和羧基COOH等4種含氧官能團的變化與煤類似。煤和污泥中的含氧官能團在混燒過程中均保持了各自的獨立性，未發生明顯的相互作用。本實驗條件下，混燒過程中煤占主導地位。28污泥焚燒過程中C2H6、C3H8、C6H14、C6H6、C6H5NH2等不完全燃燒產物的質量濃度均高于煤的焚燒,而CO的排放質量濃度卻遠低于煤燃燒的排放。但是與煤粉按11比例混合后燃燒發現排放主要為CO，并且會提高煤粉的CO排放量。同時污泥燃燒過程中會產生二噁英等有毒有害物質。經國內外研究發現控制水含量和硫含量以及燃燒溫度等可以有效的控制有害氣體的排放。29另外固體燃料和固體廢物在燃燒和氣化過程中的汞排放問題在全球己經受到廣泛關注。該文首先選取3個煤種和3種干城市污泥作為樣本，通過熱重TG實驗了解汞在燃燒和氣化過程中的基本析出行為。然后選取一個污泥樣在滴管爐里燃燒，研究汞在接近實際燃燒狀況下的析出行為。通過熱平衡計算預測了在和實驗相同條件下汞析出的變化趨勢。結果表明，90的汞在873K時己經析出，而在固定碳含量較高的燃料表現出汞析出比例較慢的特點。另外較高的CLLHG促進煤中汞的析出，而較高的SLHG摩爾比抑制污泥汞的析出。值得注意的是在氣化條件下，即使在低溫下單質汞也能生成并析出。3013本課題研究目的及內容本課題將詳細的研究國內重點城市的污泥來源及構成，污泥的危害，闡述國內外污泥主流處理工藝構成及原理。闡述污泥的焚燒技術工藝、原理、主要設備及運行問題。分析污泥燃燒發電的可行性，并設計和計算污泥燃燒發電的相關數據。第2章污泥燃燒特性本文中選取城市污水處理廠的城市生活污泥（下文簡稱為污泥）作為研究對象。本章首先對污泥進行了工業分析、化學成分分析，在此基礎上，對污泥進行熱分析，研究了污泥的燃燒特性。21污泥成分分析污泥的工業分析包括水分，灰分，揮發份，固定碳和發熱量。樣品來自上海程橋污水處理廠。分析結果如表21所示。表21污泥工業分析MADAADVADFCADNET/KJKG1612450543844989810從表21可以看出因為城市污泥中含有較多的揮發分和固定碳，致使污泥發熱量很高。由于城市污泥中含有較高的熱值，其在循環流化床鍋爐中焚燒時可以替代部分燃料，但要適當的調整用煤量。22污泥燃燒分析221實驗方法實驗采用的儀器是由德國NETSCH公司和BRUKER公司聯合制造的TGAFTIR熱綜合分析儀,其TGA部分是NETZSCH的STA409熱重分析儀。（其具體結構見圖12）其主要特征是可同時對試樣進行TG分析和對析出成分進行分析。儀器主要由以下幾部分組成天平系統、電加熱爐、紅外分析系統。溫度范圍01600，熱重靈敏度最高125M；樣品重量05000MG；熱量測量范圍0500MV；差熱靈敏度約18V/MW；差熱測量范圍05000V。測量氣氛動、靜態氧化、還原氣體、惰性氣體和部分腐蝕氣體、真空。7實驗樣污泥經過篩分,粒徑為8045目。3個樣品稱相同重量20MG。氧氣流量80ML/MIN,升溫速率30/MIN,終溫污泥850,。實驗使用純氧是希望得到更為明顯的反應效果。222實驗結果及分析圖21為樣品污泥的熱重曲線,由圖可以看出在著火燃燒之前有增重現象,最大增重約為初始重量的2,并伴有發熱,然后開始著火,迅速失重。對這種現象,我們認為,當污泥被加熱時,氣相環境中氧擴散到污泥的外表面和內部孔隙,在污泥表面上發生物理和化學吸附。由于加熱速率低,所以使得氧分子有足夠的時間完全覆蓋污泥的內外表面,因此,增重現象可以認為是氧吸附到污泥顆粒的表面所引起的。樣品污泥DTG曲線有兩個峰,即可能有兩步反應,樣品污泥兩個峰比較接近,基本上都屬于揮發分燃燒的溫度范圍?？梢钥闯?污泥的揮發分較高,含碳量較低,如以水分蒸發段及空氣吸附段后開始，迅速失重前的一個波谷值對應的溫度為著火點,則比煤低些,而燃盡溫度也較煤要低。圖21程橋污泥的熱重曲線這些情況與這種污泥的工業分析相吻合各種污泥總失重率與污泥灰分含量之和接近100,說明污泥熱重實驗準確程橋污泥揮發分含量高、灰分少、含碳量也少,因此只在低溫區間出現峰值。用PHADNIS方法求取反應動力學參數假設在一個有限的時間區間內,有一個絕熱反應,氣體和固體之間的反應速率可以表示為D/DTAEE/RTF1式中,為在燃燒中消耗的燃料分額,A為頻率因子,E為活化能,R為氣體常數,T為反應溫度。F為與固體未燃反應物和反應速率有關的函數,它的大小取決于反應機理3。在恒定的程序升溫速率下,DT/DT,則D/DTA/EE/RTF2求解這個燃燒反應動力學方程的方法很多,其中主要的是微分法和積分法,有不少研究者在這方面發表了有關的文章。本文采用PHADNIS的方法推斷反應機理,公式如下FGRT2/E12RT/ED/DT3由于2R2T3/E2很小,可忽略。于是3式可簡化為FGRT2/ED/DT4然后通過所作出的FGT2D/DT圖,使成線性,其斜率為R/E,微分法是作LND/DT/F1/T圖,發現F11/R與1/T的線性度比較好,畫出分別對應的LND/DT/F1/T圖簡稱微分圖和FGT2D/DT圖簡稱PHADNIS圖。根據對這些圖中數據點的線性擬合得出,當R4時,微分圖直線方程為Y175354984379X,擬合相關參數為R099482PHADNIS圖直線方程為Y000014X000486,擬合相關參數為R099777見圖22。實際此時兩個斜率之積為1181306。可以認為F11/4是基本正確的描述了這一階段反應機理的方程,再由微分圖中的斜率和截距求出E701KJ/MOL,A41105L/MIN。圖22程橋污泥燃燒的PHADNS圖第一步反應的第二階段,與前面的方法一致。結果如下F11/311,E3043KJ/MOL,A181L/MIN。這個反應機理稱為GINSTLINGBROUNSHTEIN圓柱形對稱三維擴散。第二步反應的研究方法與第一步反應大致相同,結論是在DTG峰值之前,F11/4,E836KJ/MOL,A112106L/MIN在DTG峰值之后,F11/311,E245KJ/MOL,A2761/MIN。由以上的分析可知程橋污泥的反應機理可表述為在典型的TGA加熱的條件下,污泥表面氧氣吸附增重之后,溫度不斷上升,在開始燃燒時,氧濃度是過量的,此時的總反應速率應當取決于揮發分的析出速率和析出的揮發分與氧燃燒的反應速率,而在此時,雖然污泥的灰分都較高,但在燃燒初期揮發分從污泥顆粒的表面及外層部分析出,不會受到大的阻礙,所以總反應速率是服從化學反應速度控制的,其機理方程為F11/4。其后,燃燒繼續進行,不斷放熱,溫度上升,使反應速率加快,然而另一方面,反應也不斷向污泥顆粒內部推進,氧氣向內部擴散與產物氣體向外擴散又相互阻礙,而這時溫度已經比較高,揮發分和碳的燃燒都足夠快,因此,總反應速率完全受擴散因素的控制,其機理方程為F11/311。由分析可以看出,擴散因素控制的反應活化能高于表面反應的活化能,是符合污泥的自身特性的,質地疏松,揮發分高易于析出,然而污泥的含碳量低,殘碳燃燒不易于進行。經過分析可知樣品污泥的揮發分較高,含碳量較低,整個燃燒過程可分為三個階段水分析出的階段；揮發分析出燃燒階段；焦碳燃燒的階段。6第3章污泥焚燒技術的應用31污泥焚燒處理的優勢311對污泥的有效利用污泥的處理方式主要有填埋處理，堆肥處理和焚燒處理三種。填埋法是將污泥直接或與垃圾混合后填入大坑或洼地中，以利恢復地貌和維護生態平衡。但是此方法的缺點是土地占用量大，填埋后易造成二次污染，如污染地下水源、有害氣體四處飄散污染大氣、有害金屬在填埋場半徑50KM范圍內會形成富集圈帶以及被填埋的污泥發酵產生的甲烷氣體等容易引發爆炸等。堆肥法，也是農業處理法，是將污泥運到市郊農村作肥田處理。此法能有效改良土壤，且處理成本低，處理量大，但由于未經分選，使許多有用之物白白浪費，同時許多非肥田成分，這些成分會造成二次污染，所以此法目前僅限于較小規模?？梢娨陨蟽煞N的污泥處理方式都不適合大規模的應用。隨著城市大規模的發展，石油產量的不斷增大，以上兩種處理方式對環境的破壞和占用的土地等問題就越發的暴露出來。相比之下，焚燒法更適合未來的發展趨勢。焚燒法是將污泥進行焚燒處理，使其體積減小，質量減輕（體積可縮小90，質量減少75）。該方法的優點是，能有效地減少污泥的填埋量，經焚燒后只有大約相當于最初體積的十分之一需要填埋，且能回收能量和部分燒結渣的再次利用。一般高位發熱量大于3400KJ/KG的污泥適于焚燒處理。燃燒產生的熱能可用于供熱或發電，燃燒效率可以達到85，熱效率可達到50以上。現在新的煙氣渦輪增壓技術，和與污水處理廠聯合運行的技術可以使熱效率進一步得到提高。312污泥焚燒設備及各設備優缺點焚燒爐主要有爐排爐、旋轉窯爐、循環流化床爐及融融焚燒爐。機械式層燃爐排焚燒爐具有較長的發展歷史，常用有滾動爐排、往后運行爐排、希格斯路牌、W型爐排等。層燃爐焚燒機理是污泥送入爐膛的爐排上，燃料隨爐排往后移動，從爐膛來的強烈火焰輻射使得污泥干燥，并在爐排前段有效著火，經爐排中后段污泥在助燃空氣的作用下充分燃盡。其主要特點為燃料的適應性廣，可用不同特性的燃料，運行，操作方便，具有較高的可靠性和穩定性。保持燃燒煙氣的高溫和爐膛內停留的時間，可減少有害氣體的排放。但燃燒效率低，易存在機械故障。旋轉窯焚燒爐分為基本形式和有廢物干燥區兩種形式。一般的旋轉爐是一個略微傾斜而內襯耐火磚的空心圓筒，窯體通常很大。大多數廢物料是由燃燒過程中產生的氣體及窯壁傳輸的熱量加熱的。固體廢物可從前端送入窯中進行焚燒，以定速來達到攪拌廢物的目的。旋轉時需保持適當的傾斜度，以利固體廢物下滑。此外，廢液廢氣可以從前端，中端，后端同時配合助燃空氣送入，甚至于整桶裝的污泥也可以送入旋轉爐燃燒。有廢物干燥區的旋轉焚燒爐可以用來處理夾帶著任何液體的和大體積的固體廢物。在干燥區，水分和揮發性有機物被蒸發掉，然后，蒸發物繞過轉窯進入二燃室。固體物進入轉窯之前，在通過燃燒爐排時被點燃。二燃室能使揮發物種的有機物和由氣體中懸浮顆粒所夾帶的有機物完全燃燒。循環流化床鍋爐用于垃圾和污泥焚燒是最近幾十年才發展起來的，垃圾燃料進入燃燒室與灼熱的床料充分混合焚燒，其中大塊（1015MM粒狀）不可燃物由床底部的連續排渣裝置排出，經冷渣器后排外，未燃盡細小物質則從燃燒室上部進入旋風分離器，大部分被分離器收集經反料裝置返回燃燒室繼續燃燒，這樣反復幾次循環達到燃盡的目的。由于流化床流化特性，要求溫度均勻地保持在850900之間，使床內能保持穩定燃燒，污泥及其臭氣中的有害成分（二噁英等）能在爐膛內得到裂解焚燒，而不產生新的有害物質。循環流化床鍋爐有以下主要特點燃燒效率高，特別適合高水分低熱值的污泥焚燒。灰渣無臭味，可直接填埋或用于建材生產。能夠有效控制垃圾分解過程中有害氣體的產生，由于燃燒溫度可均勻控制在850900之間，其NOX的生成量較小。當燃燒溫度大于1300時，NOX才會大量生成。由于二噁英是在燃燒不穩定、爐膛燃燒溫度不均勻、燃燒溫度小于850及金屬催化劑條件下生成，因而循環流化床焚燒鍋爐可以有效抑制二噁英的生成。爐內加石灰石，可有效脫硫。在CA/S為12時，脫硫效率大于85，尾部噴水和石灰粉可有效脫除污泥燃燒過程中產生的HCL、HF、SO2等有害氣體。焚燒產生的熱能品質高可用于生產蒸汽、供熱和發電等。循環流化床焚燒爐無爐排爐等旋轉部件，設備故障少，容易維修，投資費用低。熔融焚燒爐是用高溫熔融鐵水作為焚燒爐料，溫度高達1400，垃圾投入爐中迅速熔化或氣化，熱解有害氣體或焚燒，使廢氣產量為傳統焚燒爐的幾分之一，浮渣從溢流渣口排出（液態排渣）成粒狀，是二次污染極少的一種新型焚燒爐。但目前還處于開發階段。日本已經處于從流化床焚燒爐向熔融爐轉型階段。1632污泥與煤粉混燃對燃燒的影響城市污泥即使經過脫水處理后水分仍較多,熱值較低,若直接作為燃料不易穩定燃燒,而且燃燒產的熱量較難滿足工業鍋爐供熱和發電的需要。因此考慮將城市污泥脫水后和煤混合作為鍋爐燃料,為城市污泥的最終處理尋求一條經濟合理的途徑,以便達到節約能源、提高企業經濟效益和保護環境的目的。為了對城市污泥和煤的混料的燃燒規律有一個基本的了解,我們利用熱重分析法對其進行了初步的研究。321污泥與煤粉混燃的燃燒特性分析我們發現隨著在煤中摻入污泥比重的增大，試樣的著火溫度明顯降低了，燃盡溫度也相應地有所降低。我們看到污泥中的揮發分含量很高，而比較難燃的固定碳的比重相當小，因此污泥極易燃燒，燃盡溫度相對也較低。煤和城市污泥相混后，由于污泥中的揮發分能夠在較低的溫度下迅速析出，使得試樣的著火性能得到了較大的改善。在燃燒動力學參數中，活化能是一個十分重要的參數，它代表反應物的分子由初始穩定狀態變為活化分子所需吸收的能量?；罨鼙戎饻囟雀軓谋举|上描述試樣的著火性能。在煤中加入少量的污泥就可使其活化性能得到較大的提高。隨著試樣中污泥比重的增大，著火溫度提前，活化性能提高，兩者的變化趨勢是一致的。我們還發現，隨著試樣中污泥比重的增大，試樣的綜合燃燒特性指數有所減小，表明其綜合燃燒性能逐漸下降。分析表21中的數據，我們發現盡管污泥中揮發分的含量很大，但是所占份額最多的是氧元素，占整個揮發分含量的525。氧雖然能助燃,但是它在試樣中的含量比之大氣中氧含量是微不足道的。城市污泥中的氮元素含量476也要比煤中的含量094大很多，但是氮既不可燃燒又無助燃作用，而且在燃燒反應中會生成有害氣體NOX。氫和硫是可燃元素，其中硫的發熱量較低,而氫的發熱量最高。但是不管是在煤中還是在城市污泥中兩者的含量都很小且相差不大。碳元素在煤和城市污泥中的比重都是最大的，且碳的發熱量很高，在燃燒中起主導作用。通過比較表21中的數據我們發現，煤中碳元素的含量為5884，而城市污泥中碳元素含量為2370，前者將近為后者的25倍。煤的最大燃燒速度和平均燃燒速度分別為9974/MIN和3982/MIN，分別大于城市污泥的5328/MIN和2235/MIN，可見煤燃燒起來要比城市污泥劇烈得多。當煤和城市污泥混合后盡管著火溫度和燃盡溫度有所提前但是燃燒的劇烈程度明顯下降，其綜合燃燒性能下降。由圖21我們發現混合試樣DTG曲線上的最大燃燒峰對應溫度在500左右,和煤的DTG曲線燃燒峰所對應的溫度基本一致；從DTG曲線上還可以看到在此之前有一個次峰，所對應的溫度在320左右，和污泥DTG曲線燃燒峰所對應的溫度基本一致，這表明混合試樣燃燒時，試樣中的煤和污泥基本上保持了各自的揮發分析出特性。當混合試樣中污泥含量較小或者和煤的含量相當時，次峰并不明顯，只有當污泥的含量較大時次峰表現得才較為突出；在發生燃燒反應的溫度區間內,混合試樣DTG曲線的變化趨勢和煤的DTG曲線變化趨勢更為接近,這些表明在混合試樣的燃燒過程中煤的燃燒表現得更為明顯。針對我們所選的某城市污泥和某煤種，對其單獨及按不同比例混合后進行的熱重試驗表明在煤中摻入城市污泥后，混合試樣和煤相比其活化性能得到提高，著火溫度提前，但是綜合燃燒性能卻是下降的。在混合試樣的燃燒過程中，煤和污泥基本上保持了各自的揮發分析出特性，煤的燃燒表現得更為明顯。17322燃燒溫度沿爐膛高度的分布特性圖31為不同煤泥比在流化床內穩定燃燒時沿床高的溫度分布。由圖可見,煤和污泥在這三種比例下均能穩定燃燒,溫度差別不是很大。圖31不同煤泥比在流化床內混燃時沿床高的溫度分布但煤和污泥在各比例下沿床層高度的溫度差都很大約350,這與TOMOGADA和JOACHIMWERTHER的研究結果是相反的。原因可能有以下兩點一是與燃料的特性有關,即由于煤粒較粗,致使較多的煤粒沉在爐底,增加了密相區的燃燒份額,故密相區溫度較高二是與污泥加入方式有關,即由于污泥的給料裝置位于爐頂,污泥在落下的過程中不斷吸熱干燥,使爐膛上部溫度降低。試驗也對煤泥比為3565的污泥在流化床內的混合燃燒特性進行了研究,試驗發現這種比例的污泥在不加額外輔助燃料的情況下不能在爐內穩定燃燒。試驗還發現,在煤泥比為55的混燃試驗中,當爐內溫度在900以下時投入此種污泥,將會導致床溫越來越低。323爐內床壓的變化特性在煤泥比55的污泥混燃試驗中,試驗發現風室壓力在逐漸降低,如圖32所示。由此可以判斷爐內床料量在逐漸減少。由于污泥粒徑很細,燃燒后幾乎都形成飛灰,無法形成床料,因此當煤泥比較低時,燃燒過程中需要補充床料,才能維持床壓。圖32風室壓降隨時間的變化曲線及其趨勢線33污泥與煤粉混燃對煙氣排放的影響331煙氣中不完全燃燒產物的排放在污泥的空氣干燥基中揮發分占很高，固定炭含量很少；相反，在煤的空氣干燥基中揮發分一般不高（除褐煤），固定炭含量則很高。可見煤和污泥性狀性狀差異巨大。圖17為在焚燒工況為850爐溫、流化風體積流量為31M3/H的條件下,含水質量分數為415的半干污泥和煤焚燒過程不完全燃燒產物的排放，圖中CO101表示CO質量濃度為實際質量濃度的1/10由圖可知,污泥焚燒過程中C2H6、C3H8、C6H14、C6H6、C6H5NH2等不完全燃燒產物的質量濃度均高于煤的焚燒，而CO的排放質量濃度卻遠低于煤燃燒的排放。這是由于污泥在流化床內的燃燒過程中揮發分的釋放和燃燒占主導地位，,僅有少量固定炭殘留在床層內燃燒,OGADA等人對濕污泥在流化床內揮發分的析出和燃燒有詳盡的研究報道，并提出了揮發分燃燒模型,即揮發分的受熱析出和燃燒不僅僅發生在床層內，而是在整個床層和懸浮區內進行；而在煤燃燒過程中占主導地位的則是固定炭的燃燒，揮發分則相對小的多，因此煙氣中不完全燃燒產物的排放主要為CO。當污泥和煤以相同比例混合后焚燒時，污泥和煤混燒的不完全燃燒產物的排放特性非常相近，污泥焚燒排放的CO質量濃度稍高于煤的排放質量濃度，這是由于污泥中的水分降低了床層溫度，可見污泥對煤燃燒過程不完全燃燒產物排放的影響是很小的。在焚燒工況為850爐溫、流化風體積流量為31M3/H的條件下，不同水分下不完全燃燒產物的排放如圖33所示。隨著污泥含水質量分數升高,CO的排放質量濃度有所下降，但C3H8、C6H14和C6H5NH2等有機污染物的排放質量濃度明顯上升，這是由于隨著水分升高，密相區的焚燒溫度下降，大量有機揮發分進入懸浮區造成的；相反，CO排放質量濃度的降低則是由于高水分下污泥中揮發分燃燒相對不夠充分，CXHYCO的轉化率降低的緣故。計算得3種水分下不完全燃燒產物中炭的排放質量濃度，當污泥的含水質量分數由73升至415,煙氣中不完全燃燒炭的排放質量濃度由24MG/M3升至248MG/M3?？梢娝謱煔庵胁煌耆紵康呐欧刨|量濃度的影響并不明顯。圖33不同污泥含水質量分數下不完全燃燒產物排放在觀察密相區溫度變化對CO排放影響的實驗工況中，將懸浮段的溫度維持在850、流化風體積流量為31M3/H,通過改變床層溫度T1同時觀察CO質量濃度的變化。由圖4可以發現，含水質量分數分別為73和284的干污泥，CO質量濃度隨溫度的變化趨勢有所不同，以含水質量分數為73的污泥為例，850下的CO質量濃度低于750和950下的質量濃度；而含水質量分數為284的污泥則不然原因分析如下隨著密相區溫度升高，揮發分的析出速率和燃燒速率也不斷提高，假設在某一特定的溫度工況內，揮發分的析出和燃燒保持平衡，CO的排放質量濃度為定值，當溫度升高后，假如此時的燃燒過程不僅能消耗掉由于溫度升高而多析出的揮發分，而且能消耗掉部分平衡時期的揮發分，則進入懸浮區的揮發分質量濃度降低，CO質量濃度也相應降低，如圖34中的和過程；假如溫度升高后的燃燒過程甚至不能消耗掉由于溫度升高而多析出的揮發分，則進入懸浮區的揮發分質量濃度升高，CO質量濃度也相應升高，如圖34中的過程和過程。圖34床層溫度對CO排放的影響圖35懸浮區溫度對XN的影響332溫度對N2O和NOX排放的影響溫度對N2O和NOX的影響趨勢相反，溫度升高對N2O的排放有抑制作用，而對NOX的排放則有促進作用。這是由于N2O的生成路徑主要為NCONON2OCO，在高溫環境下，NCO發生下述分解反應NCOHNHCO,1NCOONOCO2而且隨著溫度的升高,HCO的分解反應也越劇烈，NCO質量濃度的降低導致了N2O排放的減少；對于NOX而言，燃燒過程中能夠獲得充足的氧氣，隨著溫度的升高，,污泥中燃料氮的轉化率升高，污泥高含氮質量分數是其一大特性，大部分以有機物的形態存在，本文中污泥的含氮質量分數為744，燃料氮轉化為NOX的轉化率XNMOUTRNOX/M3式中MOUT為單位質量污泥焚燒排放的干煙氣的摩爾質量，RNOX為干煙氣中NOX的摩爾比，M為單位質量的污泥中燃料氮的摩爾質量。由圖35可以看出，在相同的溫度下，XN隨著含水質量分數升高而升高，同時也隨著懸浮區溫度的升高而增大。333水分對N2O和NOX排放的影響污泥的水分對N2O和NOX排放的影響趨勢也相反，水分升高能夠促進N2O生成，抑制NOX的生成。水分對N2O生成的促進可能是由于隨著含水質量分數升高，爐內溫度下降而導致的，同時水分的升高在一定程度上影響了污泥揮發分析出的種類和濃度，使其朝著有利于N2O生成的方向轉變,比如徐明艷等人發現煤熱解過程中引入水蒸汽能夠提高NH3的排放質量濃度，但其機理還有待進一步研究；水分對燃料NOX的生成影響有兩種1較低水分時形成的弱還原氣氛能促進揮發分析出2水煤氣反應在更高水分時變得更加突出，可將形成的NOX還原為N2。鐘北京等人在研究含水質量分數對乳化重油燃燒過程中NOX排放的影響時發現，含水質量分數升高能抑制NOX的生成。334煤對N2O和NOX排放的影響實驗對比了含水質量分數為415的污泥和煤單獨焚燒,以及污泥和煤以質量比11混燒后的NOX及N2O排放。如圖36所示,污泥和煤混燒的NOX排放質量濃度低于污泥焚燒的排放質量濃度,而N2O的排放質量濃度則高于污泥焚燒的排放值,可見煤摻燒后促進了NO向N2O的轉化。29圖36煤對NOX和N2O排放的影響第4章污泥焚燒發電研究41污泥燃燒設計411選用污泥及煤粉的工業分析煤粉選用為平頂山煙煤，其成分特性如表41。采用收到基表41設計所用煤種的成分特性水分（）灰分（）碳含量（）氫含量（）氧含量（）氮含量（）硫含量（）揮發分（）低位發熱量（KJ/KG）702565823741090524622625試驗用污泥來自重慶某污水處理廠處理污水后的副產品排放物，它是一種接近漿狀的黑色粉末狀物質。其成分特性分析如表42所示。采用收到基表42設計所用污泥成分特性水分（）灰分（）碳含量（）氫含量（）氧含量（）氮含量（）揮發分（）低位發熱量（KJ/KG）6165263335522020389370127435由于給料時爐內溫度對污泥與煤在循環流化床鍋爐的爐內穩定燃燒很重要，當床溫低于900時，投入55的污泥與煤混合物就極易造成爐內燃燒不穩定17。所以在本設計中煤粉與污泥的混合比例采用73混合。則混合后相應燃料成分特性如表43。表43混合燃料成分特性水分（）灰分（）碳含量（）氫含量（）氧含量（）氮含量（）硫含量（）揮發分（）低位發熱量（KJ/KG）23402582418132534833105382618068412選用循環流化床鍋爐概況設計使用鍋爐為440T/H超高壓再熱循環流化床鍋爐。440T/H循環流化床鍋爐為超高壓參數一次中間再熱設計，與135MW等級汽輪機發電機組匹配，可配合汽輪機定壓或滑壓啟動和運行。循環物料的分離采用高溫絕熱旋風分離器。鍋爐采用平衡通風。鍋爐主要由爐膛、高溫絕熱旋風分離器、雙路送灰器、尾部對流煙道和冷渣器等組成。采用支吊結合的固定方式，除分離器筒體、冷渣器和空氣預熱器為支撐結構外，其余均為懸吊結構。燃燒室政法受熱面采用膜式水冷壁，水循環為單汽包、自然循環、單段蒸發系統。水冷式布風板安裝大直徑鐘罩式風帽，具有布風均勻，防堵塞、放結焦和便于維修等優點。燃燒室內布置雙面水冷壁以增加蒸發受熱面；同時，布置屏式第二級過熱器和末級再熱器，以提高整個過熱器系統和再熱器系統的輻射傳熱特性，使鍋爐過熱氣溫和再熱氣溫具有良好的調節性。兩個直徑為736M的高溫絕熱旋風分離器，上部為圓筒形，下部為錐形。高溫絕熱分離器立管下布置一個非機械型送灰器，回料為自平衡式，流化密封風用高壓風機單獨供給。以上三部分構成了循環流化床鍋爐的核心部分物料循環回路。燃料與石灰石在燃燒室內完成燃燒及脫硫反應。經過分離器凈化過的煙氣進入尾部煙道。尾部對流煙道中布置著第三級、第一級過熱器、冷段再熱器、省煤器、空氣預熱器。采用低溫燃燒（約為880）以降低熱力型NOX形成；燃燒用風分級送入燃燒室，除從布風板送入的一次風外，還從燃燒室下部錐段分三層不同高度引入二次風，以降低燃料型NOX的生成量。脫硫劑石灰石通過石灰石輸送風機，以氣力運輸方式直接從送灰器斜管上給入給料口內。鍋爐采用床上床下結合的啟動方式。床下（在水冷布風板下面一次風室前的風道內）布置有兩只啟動燃燒器（即熱煙氣發生器或稱風道燃燒器）；床上（布風板上3M處）布置四只啟動燃燒器（油槍）。啟動燃燒器采用內回油式機械霧化，油槍霧化調節比為13。每只啟動燃燒器均配有火焰監測器